人類最早的浪漫 鑽頭 被戲稱為人類最早的浪漫鑽頭!

人類精子是怎樣遊動的?三百多年來,科學家也可能被2D顯微鏡下的這類視野給欺騙。學界一直以為精子像蝌蚪或鰻魚那樣擺動尾巴前進。最近一項研究藉助先進的高速攝影技術,發現這種印象其實是一種視錯覺,精子的運動方式實際上要更加複雜:它們的尾巴朝向一側擺動,頭部旋轉前進,平衡了尾部運動的不對稱。被戲稱為人類最早的浪漫“鑽頭”。

人類最早的浪漫 鑽頭 被戲稱為人類最早的浪漫鑽頭!

三百多年前的1677年,作為最早使用顯微鏡的人之一,列文虎克在顯微鏡下,看到精液中有一些運動著的“微生物”。他如此描述:

它們每一隻都有一個鈍的頭,身體很長,拖著一條几乎幾乎透明的尾巴。它們各自推動著自己前進,像一條蛇在移動,或者是一條泥鰍在水裡游泳。

此後的數百年間,生物學家對精子的認識逐漸有了質的提升,從一開始精子頭部自帶著新生兒的荒誕想法,到後來確定其攜帶了一半遺傳物質並且會與卵子結合,再到如今確定動力蛋白能夠給精子尾巴提供動力,激素能影響精子活動性等各種分子機制。人類探索到了越來越多關於這種“微生物”的秘密。

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AntonyvanLeeuwenhoek安東尼·凡·列文虎克(1632-1723)

儘管一些細胞和分子層面的知識在不斷被重新整理,但有一點,似乎絕大多數科學家都很少懷疑過,那就是最簡單的形態學知識——精子能夠透過擺動尾巴獲得前進的動力,並且尾巴的對稱性擺動方式類似於鰻魚,也就是左右對稱擺動前進。這一點,只要在顯微鏡下觀察過精子的科學家都不會質疑。

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並且,由於2D顯微鏡下觀察到人類精子游動時,尾部擺動產生的波形是對稱的,科學家曾推測在理想化的3D條件下,精子尾部的執行軌跡產生的波形應該也是對稱的,就像我們平時開葡萄酒瓶的開瓶器一樣。

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過去科學家認為,3D條件下精子的遊動應該是這種很對稱的螺旋

布里斯托大學(UniversityofBristol)的HermesGadelha博士、墨西哥國立自治大學(UniversidadNacionalAutonomadeMexico)的GabrielCorkidi博士和AlbertoDarszon博士採用最先進的3D顯微鏡和數學技術,率先重建了精子尾部的3D真實運動。

他們使用了一架每秒拍攝超過55000幀的高速相機,配合帶有壓電裝置的顯微鏡載物臺,以極高的速率上下移動樣品,拍攝了精子自由遊動的3D影象。

這項研究發表在ScienceAdvances《科學進展》雜誌上,題為“Humanspermusesasymmetricandanisotropicflagellarcontrolstoregulateswimmingsymmetryandcellsteering”,研究揭示了精子的尾巴實際上是擺動的,並且只朝一側擺動。側向擺動似乎意味著精子只能繞圈遊動,但精子已經巧妙地適應了這種方式,並找到了向前遊動的方法。

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論文作者之一Gadelha博士也是布里斯托大學工程數學系Polymaths實驗室的負責人、生育數學專家,他說:“人類的精子在遊動時會同時滾動,就像在水裡嬉戲的水獺一樣螺旋前進,這能夠平衡它們的單邊前進的情況,從而向前遊動。”

這一結果也重新整理了人類過去的認知:人類精子不是像海鰻一樣對稱性地擺動鞭毛,而是像海獺一樣的旋轉式遊動——頭部往一側擺動旋轉,與此同時鞭毛也會跟著旋轉,也就是一種旋進過程,而這個過程並不是2D看到的對稱性遊動。

2D觀測下,會誤以為人類精子像海鰻一樣左右(上下)擺動遊動

實際上,精子游動方式類似海獺,頭部旋轉,身體(精子尾巴)同時旋轉。

研究一共觀測了30條【自由遊動】的精子,從頭部正面的角度看,其中28個精子細胞(頭部)都會沿著一根軸進行逆時針轉動,鞭毛(尾巴)會以遊動方向為軸進行同步旋轉。(這裡為什麼要強調“自由遊動”,因為現在的主流觀察方式——拴菌實驗會固定精子的鞭毛,這會導致精子頭部和鞭毛無法轉動,因此加劇了誤解程度)

在3D條件下,科學家能透過多個平面來觀測精子以及鞭毛的擺動方式和波形。根據(x,y,z)軸組成的多平面來看,鞭毛的轉動在各平面產生的擺動特徵都是各異的,例如在“b”平面和“z”平面上,鞭毛特徵就明顯不一樣,顯示出各向異性,也就是3D條件下,鞭毛的擺動並不是一一對稱的,其在各個平面的表現並不一致,也不會形成完美對稱的標準螺線轉動。

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而之所以之前會誤認為精子的擺動是對稱的,就是2D觀測時只能看到一個平面的資訊,這種平面會給予觀測者一種對稱錯覺。(見下圖所示)

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示意圖顯示,2D觀測下的一個平面會怎樣誤解精子的遊動方式

Corkidi博士和Darszon博士開創了這項用於觀察精子游動的3D顯微鏡技術。Corkidi博士說:“這真是令人難以置信的驚喜,我們相信先進的3D顯微鏡技術將揭示自然界中更多的秘密。有朝一日,這項技術將可用於臨床中心。”

Darszon博士說,“這項發現將徹底改變我們對精子活力及其對自然受精影響的理解。對於女性生殖道內複雜的環境,以及精子游動如何影響受精,我們仍然知之甚少。這些新工具使我們看到了精子具有的驚人能力。”

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https://advances。sciencemag。org/content/6/31/eaba5168

https://eurekalert。org/emb_releases/2020-07/uob-hhs072420。php

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【來源:醫法線上】

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